79

RANCANGAN TURBIN EKSPANSI TIPE RADIAL SATU TINGKAT

DENGAN MASSA ALIRAN UDARA INPUT SEBESAR 0,245 KG/S

Ego Widoro(1), Sihono (2)

Politeknik Penerbangan Indonesia Curug, Tangerang.

Abstrak: Penggunaan turbin sangat luas, sesuai dengan fungsinya turbin didisain

dalam bentuk khusus untuk dapat melakukan fungsinya tersebut, salah

satunya turbin dapat digunakan sebagai turbin ekspansi pada air cycle

machine yang digunakan sebagai sistem pendingin udara di kabin

pesawat terbang. Perancangan turbin radial satu tingkat sebagai turbin

ekspansi yang mudah dan murah biaya produksinya serta memiliki

efisiensi yang tinggi. Perancangan ini diawali dengan menghitung

parameter disain awal dan dilanjutkan dengan tahapan perancangan

mendisain impeler turbin, nosel inlet turbin dan scroll turbin. Parameter

disain turbin yang diperoleh dari perhitungan mencakup parameter non

dimensional dan dimensional.

Kata Kunci: Turbin Radial, Turbin Ekaspansi,

Abstract: The utility of turbine is very wide, according to the function of turbine

designed in special form to be able to perform this function, one of

which the function is the turbine can be used as expansion turbine on air

cycle machine that used as air cooling system in aircraft cabin. The

design of a single stage radial turbine as an expansion turbine with easy

and inexpensive production and high efficiency. This design begins with

calculating the initial design parameters and continued with the design

steps of designing the turbine impeller, inlet turbine nozzles and turbine

scroll. Turbine design parameters derived from calculations include

non-dimensional and dimensional parameters.

Keyword: Radial Turbine, Expansion Turbine

Jurnal Ilmiah Aviasi Langit Biru Vol. 13 No.2 Juni 2020 Hal 1 : 160

80

Pendahuluan

Beberapa penggunaan turbin

antara lain: Treager (1995) menjelaskan

bahwa fungsi turbin pada sebuah motor

turbin adalah untuk memutar

kompresor, aksesoris melalui rangkaian

roda gigi dan pada motor turbin jenis

turboprop yang digunakan pada

pesawat terbang, turbin digunakan

untuk memutar baling-baling pendorong

dengan mengekstraksi sebagian tekanan

dan energy kinetic dari gas pembakaran

bersuhu tinggi,

Selain dari itu Federal Aviation

Administration (2012) menjelaskan

bahwa turbin dapat digunakan sebagai

turbin ekspansi pada air cycle machine

yang digunakan sebagai sistem

pendingin udara di kabin pesawat

terbang. Jha (2011) menjelaskan bahwa

energi kinetik angin yang terbentuk

secara alami di alam terbuka dapat

dirubah menjadi energi listrik oleh

turbin angin yang memutar generator

listrik. Saravanamuttoo et al. (2017)

menjelaskan bahwa turbin radial dapat

mengekstrak kinetik energi aliran kecil

lebih efisien dan telah secara luas

digunakan pada aplikasi seperti

turbocharger pada industri cryogenics

dan turbocharger untuk motor piston.

Seperti halnya dengan

kompresor, turbin dapat diklasifikasikan

menjadi dua jenis berdasarkan aliran

fluida yang terjadi yaitu turbin aksial

dan turbin radial sebagaimana

dikemukakan oleh Saravanamuttoo et

al. (2017). Turbin aksial merupakan

turbin yang aliran fluida penggerak

turbin sejajar atau paralel dengan sumbu

turbin sedangkan turbin radial arah

aliran fluidanya tegak lurus terhadap

sumbu turbin. Walaupun turbin aksial

secara konstruksi lebih ringan

dibandingkan dengan turbin sentrifugal

dan juga tingkat efisiensinya lebih baik

dibanding dengan turbin radial

(Aungier, 2006), tetapi turbin radial

tetap dapat digunakan terutama untuk

peralatan-peralatan yang memiliki

aliran udara atau air sebagai sumber

tenaga penggeraknya tegak lurus

terhadap sumbu turbin.

Beberapa bentuk turbin sesuai

dengan fungsinya telah dirancang antara

lain: Hidayat (2017) melakukan

perancangan turbin aksial satu tingkat

untuk mesin turbojet berbasis

turbocharger.

Pada penelitian ini fokus pada

perancangan turbin radial satu tingkat

sebagai turbin ekspansi. Perancangan

turbin radial ini harus memenuhi

kriteria mudah dan murah biaya

produksinya serta diharapkan memiliki

efisiensi yang tinggi. Nantinya turbin

radial ini dapat diaplikasikan pada

sebuah unit pendingin udara yang

menggunakan sistem seperti air cycle

machine (ACM) di pesawat terbang.

Metodologi Perancangan

Perancangan yang dilakukan

pada turbin ekspansi satu tingkat ini

merupakan perancangan awal dengan

mencari dimensi turbin ekspansi dengan

tidak melakukan pengujian baik secara

analisis peranti lunak maupun pengujian

secara mekanis, sehingga pengujiannya

dapat dilanjutkan dengan penelitian

selanjutnya.

Hal tersebut di atas sesuai

dengan yang disampaikan oleh

Sugiyono (2019) yang menjelaskan

bahwa penelitian dan pengembangan

(research and development/R&D)

terbagi menjadi 4 (empat tingkatan)

dengan tingkat yang terendah adalah

melakukan penelitian untuk

menghasilkan sebuah rancangan tetapi

tidak dilanjutkan dengan pengujian dan

pembuatan rancangan tersebut.

Untuk melakukan perancangan

dilakukan beberapa proses sebagai

berikut:

1. Menggali potensi dan masalah objek

penelitian hal tersebut telah

disampaikan pada pendahuluan.

Rancangan Turbin Ekspansi Tipe Radial Satu Tingkat ............................ (Ego Widoro)

81

2. Menentukan parameter awal

perancangan yang digunakan pada

proses selanjutnya.

3. Sebagai proses terakhir yaitu tahapan

perancangan untuk menghitung

dimensi turbin ekspansi satu tingkat

berdasarkan parameter awal.

Parameter Disain Awal

Laju Massa Aliran Udara

Dikarenakan belum didesain

compressor untuk menghasilkan

aliran udara yang digunakan sebagai

sumber penggerak turbin, maka

sebagai parameter awal digunakan

alat penghasil aliran udara yaitu

mesin blower daun kering.

Berdasarkan pengamatan

penulis dari beberapa varian dan tipe

mesin blower daun kering model

dijinjing, memiliki spesifikasi volume

udara: 0.2-0,245 m3/s dan kecepatan

udara: 67,056-111,76 m/s

Kemudian dipilih nilai

volume udara 0,2 m3/s dan kecepatan

udara sebesar 80 m/s sehingga laju

massa aliran udara yang dihasilkan

dengan kerapatan udara pada 1

atmosfir dan 15°C sebesar 1,225

kg/m3 (Young & Freedman, 2002)

adalah:

�̇� = 𝜌 × �̇�

�̇� = 1,225 × 0,2

�̇� = 0,245kg/s

Temperatur Total Masuk dan Keluar

Temperatur udara total (𝑇0) atau

udara masuk impeler merupakan

temperatur udara rata-rata tertinggi di

Indonesia berdasarkan data dari Badan

Pusat Statistic (BPS) yaitu 28,5 °C

dikarenakan aliran udara yang

digunakan untuk memutar turbin adalah

udara yang tidak melalui proses

pembakaran yaitu dari mesin blower

daun kering, sedangkan temperature

udara total stasiun 3 (𝑇03 ) atau udara

keluar dari impeler merupakan

termpertur terendah pada pada

pendingin udara yang berdasarkan

pengamatan penulis sebesar 18ºC.

𝑇0 = 28,5°C ≈ 301,5°K

𝑇03 = 18°C ≈ 291°K

Putaran Impeller dan Keluaran Daya

Telah disebutkan sebelumnya

bahwa rancangan turbin radial ini akan

digunakan sebagai turbin ekspansi pada

sistem pendingin udara tipe split, dan

sebagai beban turbin nantinya adalah

blower pada bagian indoor pendingin

udara ruangan yang sebelumnya

digerakkan oleh motor listrik.

Berdasarkan data peringkat

pendingin udara menurut topbrand

award di atas selama 2 tahun

berturut-turut yaitu tahun 2017-2018

pendingin udara merek LG sebagai

peringkat pertama sehingga dipilih

pendingin udara merek LG sebagai

acuhan untuk menentukan keluaran

daya. Dipilih pendingin udara split

dengan kapasitas 1 power kuda (PK)

karena ada beberapa varian pendingin

udara merek LG yaitu ½, ¾, 1, 1½,

dan 2 PK.

Besar daya yang harus

dihasilkan oleh turbin radial

disuaikan dengan daya listrik yang

dibutuhkan yaitu minimal adalah 21

Watt dengan putaran turbin sebesar

1500 RPM (pembulatan) ≈ 25 rev/s.

Menurut Saravanamuttoo et al. (2017)

untuk menghitung daya keluaran

turbin menggunakan rumus:

�̇� = �̇� × 𝑐𝑝(𝑇01 − 𝑇03)

Karena menurut

Saravanamuttoo et al. (2017) besaran

kapasitas panas spesifik udara pada

temperatur 300ºK (temperatur ruangan

27ºC) adalah 1,005 kJ/kg.K dan

perbedaan temperatur yang diharapkan

terjadi adalah 10,5 ºC (selisih

temperatur rata-rata tertinggi yaitu

28,5ºC dengan temperatur terendah pada

pendingin udara yaitu 18ºC), maka daya

keluaran turbin sebesar:

Jurnal Ilmiah Aviasi Langit Biru Vol. 13 No.2 Juni 2020 Hal 1 : 160

82

�̇� = 0,245 × 1,005 × (28,5 − 18)

�̇� = 2,585kJ/s = 2585 Watt

Masih menurut Saravanamuttoo

et al. (2017) bahwa rasio panas spesifik

udara adalah 1,4 dan jika diasumsikan

rasio tekanan total stasiun 1 dan tekanan

statis stasiun 3 adalah 2,0 serta rasio

temperature sattis isentropis stasiun 3

dan 2 adalah 1,0.

Tahapan Perancangan

Menghitung Efisiensi Turbin

Tahapan perancangan diawali

dengan menghitung perubahan

temperatur udara total stasiun 1 dan

temperatur statis isentropis 3 serta

perubahan temperatur udara total stasiun

1 dan 3 untuk digunakan menghitung

efisiensi impeler. Menurut

Saravanamuttoo et al. (2017) untuk

menghitung perubahan temperatur udara

total stasiun 1 dan temperatur statis

isentropis 3 menggunakan rumus

sebagai berikut:

𝑇01 − 𝑇3′ = 𝑇0 [1 − (

1

𝑃01 𝑃3⁄)

(𝛾−1) 𝛾⁄

]

𝑇01 − 𝑇3′ = 301,5 [1 − (

1

2,0)

0,286

]

𝑇01 − 𝑇3′ = 54,218ºK

Saravanamuttoo et al. (2017)

menghitung perubahan temperatur udara

total stasiun 1 dan 3 menggunakan

rumus sebagai berikut:

𝑇01 − 𝑇03 =�̇�

�̇� × 𝑐𝑝

𝑇01 − 𝑇03 =2,585

0,245 × 1,005

𝑇01 − 𝑇03 = 10,499 ≈ 10,5 ºK

Efisiensi impeler dapat dihitung

menggunakan rumus sebagai berikut

(Saravanamuttoo et al., 2017):

𝜂𝑡 =𝑇01 − 𝑇03

𝑇01 − 𝑇3′

𝜂𝑡 =10,5

54,218

𝜂𝑡 = 0,193

Nilai efisiensi 𝜂𝑡 = 0,193

masih terlalu kecil sehingga diperlukan

pengaturan untuk mendapatkan nilai

efisiensi yang lebih baik, dikarenakan

nilai 𝑇01 − 𝑇03 adalah nilai yang akan

dicapai maka tidak dapat dilakukan

pengaturan. Sedangkan, unsur pada

𝑇01 − 𝑇3′ yang masih dapat dilakukan

pengaturan adalah 𝑃01 𝑃3⁄ . Grafik pada

gambar 1 merupakan hubungan antara

𝜂𝑡 dan 𝑃01 𝑃3⁄ . Karena maksimal nilai

efisiensi adalah 1 maka dipilih

𝑃01 𝑃3 = 1,2 ⁄ dengan nilai 𝜂𝑡 = 0,685

Gambar 1 Grafik Hubungan 𝜂𝑡dan 𝑃01 𝑃3⁄

Sumber: perhitungan excel

Menentukan Rasio Jari-jari Outlet dan

Inlet

Boyce (2020) menjelaskan

bahwa rasio diameter inlet dan outlet

sebuah impeler aliran radial

( 𝑑𝑖𝑛𝑙𝑒𝑡 𝑑𝑜𝑢𝑡𝑙𝑒𝑡⁄ ) berkisar pada 2,2.

Sehingga jika dibalik rasionya untuk

jari-jari outlet dan inlet (𝑟3 𝑟2⁄ ) menjadi

1:2,2 atau 0,454.

Menghitung Koefisien Kerugian

Nossel dan Impeler

Jika diasumsikan sudut keluar

nossel 𝛼2 adalah 70°, dimana menurut

Ricardo & Co di dalam Hiett &

Johnston (1964) besar 𝛼2 antara 60°

sampai dengan 80º dan sudut keluar

Rancangan Turbin Ekspansi Tipe Radial Satu Tingkat ............................ (Ego Widoro)

83

impeler 𝛽3 adalah 40º. Kemudian jika

diasumsikan juga nilai koefisien

kerugian nossel 𝜆𝑁adalah 0,075 dimana

menurut sumber yang sama, nilai

𝜆𝑁 antara 0.1 sampai dengan 0,05 dan

sebagai bahan evaluasi dari angka-

angka tersebut di atas akan dihitung

nilai koefisien kerugian impeler 𝜆𝑅 ,

dimana menurut sumber yang sama di

atas nilai 𝜆𝑅 antara 0,5 - 1,7.

Untuk menghitung 𝜆𝑅 dapat

menggunakan rumus sebagai berikut

(Saravanamuttoo et al., 2017):

𝜂𝑡 = {1 +1

2[(

𝑟3

𝑟2)

2

(𝑐𝑜𝑡2 𝛽3 + 𝜆𝑅 𝑐𝑜𝑠 𝑒 𝑐2𝛽3)

+ 𝜆𝑁

𝑇3′

𝑇2′𝑐𝑜𝑠 𝑒 𝑐2𝛼2]}

−1

0,685 = {1 +1

2[(0,454)2(𝑐𝑜𝑡2 4 0∘

+ 𝜆𝑅 × 𝑐𝑜𝑠 𝑒 𝑐240∘)

+ 0,075 × 1 × 𝑐𝑜𝑠 𝑒 𝑐270∘]}−1

1,460 = 1 + 0,1464 + 0,2494𝜆𝑅 + 0,0425𝜆𝑅

𝜆𝑅 = 1,087

Nilai 𝜆𝑅 hasil perhitungan

adalah 1,087 dimana nilai tersebut

masih terdapat di dalam batas hasil

percorbaan para peneliti yaitu di antara

0,5 sampai dengan 1,7.

Menentukan Sudut Keluar Nossel dan

Sudut Keluar Impeler

Ada dua faktor yang

memungkinkan untuk dilakukan

pengaturan untuk mendapatkan efisiensi

turbin yang terbaik yaitu sudut keluar

nossel 𝛼2 dan sudut keluar impeler 𝛽3 .

Pengaturan dilakukan dengan

menggunakan rumus perhitungan

koefisien kerugian dengan merubah

salah satu dari 𝛼2 atau 𝛽3 dengan

membiarkan yang lainnya pada nilai

yang tetap.

Dikarenakan tidak terjadi

perubahan yang signifikan pada

efisiensi turbin 𝜂𝑡 ketika dilakukan

pengaturan sudut keluar nossel 𝛼2 ,

sehingga tetap dipilih sudut keluar

nossel 𝛼2sebesar 70° pada perancangan

ini. Walaupun menunjukan terjadinya

perubahan efisiensi turbin 𝜂𝑡 ketika

dilakukan pengaturan sudut keluar

impeller 𝛽3 yaitu terjadi kenaikan

efisiensi ketika sudut keluar impeler 𝛽3

dinaikan, tetapi walaupun demikian

semakin besarnya nilai sudut keluar

impeler berpontensi memperbesar

terjadinya stagnasi pada impeler, Walsh

& Fletcher (2004) menyarankan 𝜷𝟑

sebesar 40º untuk mendapatkan efisiensi

yang maksimum.

Menghitung Dimensi Impeler

Menggunakan analisis yang

dilakukan Tsien’s di dalam Benson

(1970) deskripsi pada gambar 2 adalah

pengganti dimensi turbin radial.

Gambar 2 Dimensi Impeler Turbin Radial

Sumber: Benson (1970)

𝑗 =𝑏3

𝑏2; 𝑛′ =

𝑑3′

𝑑2; 𝑚′ =

𝑏2

𝑑2;

2

3

d

dn =

𝑛 = 𝑛′ − 𝑚′ × 𝑗

Menghitung Diameter Inlet Impeler

(𝑑2) dan Diameter Outlet Impeler (𝑑3)

Sesuai dengan tujuan

penggunaan disain turbin radial ini yaitu

sebagai penggerak pengganti blower

pada indoor pendingin udara tipe split

yang saat ini menggunakan motor

listrik. Berdasarkan hasil pengamatan

Jurnal Ilmiah Aviasi Langit Biru Vol. 13 No.2 Juni 2020 Hal 1 : 160

84

yang dilakukan bahwa diameter ruangan

yang tersedia untuk turbin radial pada

indoor pendingin udara tipe split

adalah sebesar 0,17 sampai dengan

0,2 meter, sehingga diameter inlet

impeler adalah (diambil diameter

terkecil pada diameter ruangan yang

tersedia)

𝑑2 = 0,384 × 𝑑0

𝑑2 = 0,384 × 0,17

𝑑2 = 0,0653 ≈ 0,07 m

Diketahuinya diameter inlet

impeler 𝑑2 , maka dapat dihitung

diameter outlet impeler 𝑑3yaitu:

𝑛 =𝑑3

𝑑2

0,454 =𝑑3

0,07

𝑑3 = 0,0318 ≈ 0,032 m

Menghitung Diameter Ujung Bilah

pada Impeler Outlet (𝑑3′ )

Benson (1970) juga

menyarankan bahwa nilai rasio diameter

hub – ujung bilah di outlet impeler dan

rasio diameter ujung vane di outlet

impeler ke diameter impeler adalah

tidak boleh kurang dari 0,3 untuk

menghindari stagnasi yang berlebihan

pada bagian hub dan dibatasi hingga

maksimal sekitar 0,7 untuk menghindari

lengkungan berlebih pada impeller,

maka dapat dihitung diameter ujung

bilah pada impeler outlet 𝑑3′ adalah

sebagai berikut (Saravanamuttoo et al.,

2017):

𝑑3 = 0,3 × (𝑑3′ + 𝑑3

′ )

0,032 = 0,3 × (𝑑3′ + 𝑑3

′ )

𝑑3′ = 0,053m

Gambar 3 di bawah ini

menunjukkan perubahan besar diameter

ujung vane pada outlet impeler yang

disebabkan pada perubahan rasio hub-

ujung vane. Dipilih besar diameter

ujung vane 𝑑3′ dengan rasio hub – ujung

vane sebesar 0.3.

Gambar 3 Diameter Ujung Bilah 𝑑3

′

Berdasarkan Rasio Hub-Ujung Vane

Sumber: perhitungan excel

Menghitung Tinggi Bilah pada Impeler

Inlet (𝑏2)

Selanjutnya Walsh & Fletcher

(2004) menyatakan bahwa untuk

meminimalkan kerugian tekanan pada

saluran bagian atas dan memastikan

bahwa aliran udara sepanjang

permukaan inlet vane akan semakin

cepat maka kecepatan aliran udara harus

kurang dari 0,2 mach ≈ 68,058 m/s.

Kecepatan aliran udara inlet

𝐶2 yang dibutuhkan untuk memutar

impeler dapat dihitung menggunakan

segitiga kecepatan pada stasiun inlet

seperti pada gambar 4.

𝑆𝑖𝑛𝛼2 =𝑉2

𝐶2

𝐶𝑜𝑠𝛼2′ =

𝑈2

𝐶2

Gambar 4 Segitiga Kecepatan

Sumber: Saravanamuttoo et al., (2017)

Karena 𝛼2′ = 90∘ − 𝛼2 dan

sudah diketahui sebelumnya bahwa

𝛼2 = 70∘, maka 𝛼2′ = 20∘

Dikarenakan belumdiketahuinya

kecepatan putar impeler pada stasiun 2

𝑈2, maka perlu dihitung terlebih dahulu

Rancangan Turbin Ekspansi Tipe Radial Satu Tingkat ............................ (Ego Widoro)

85

𝑈2 sebagai berikut (young & Freedman,

2002):

𝑈2 = 2 × 𝜋 × 𝑟 × 𝑓

𝑈2 = 2 × 3,14 × 0,035 × 25

𝑈2 = 5,495m/s

0.9397 =5,495

𝐶2

𝐶2 = 5,848m/s

Luas area outlet 𝐴2 vane untuk

menghasilkan kecepatan aliran udara 𝐶2

dapat dihitung menggunakan laju aliran

volume dimana laju aliran volume

merupakan volume aliran udara per

detik atau kecepatan volume udara per

detik dikali luas area (young &

freedman, 2002). Sudah diketahui

sebelumnya bahwa mesin blower daun

kering yang digunakan sebagai

sumber aliran udara memiliki volume

udara sebesar 0,2 m3/s.

𝑄𝑢𝑑𝑎𝑟𝑎 =𝑣𝑢𝑑𝑎𝑟𝑎

𝑡= 𝐴 × 𝐶𝑢𝑑𝑎𝑟𝑎

𝐴 =𝑄𝑢𝑑𝑎𝑟𝑎

𝐶𝑢𝑑𝑎𝑟𝑎

Karena perhitungan ada pada stasiun 2

maka,

𝐴2 =𝑄2

𝐶2

𝐴2 =0,2

5,848

𝐴2 = 0,342m2

Jika menggunakan kecepatan aliran

udara maksimum yaitu 0,2 mach ≈

68,058 m/s maka luas penampang pada

stasiun 2 𝐴2menjadi:

𝐴2 =0,2

68,058

𝐴2 = 0,00294m2

Telah diketahuinya luas

penampang outlet vane maka dapat

dihitung tinggi bilah pada impeler inlet

sebagai berikut (boyce, 2002):

𝐴2 = (𝜋 × 𝑑2 × 𝑏2) − (𝜂𝑡 × 𝑡2 × 𝑏2)

Jika menggunakan kecepatan aliran

udara maksimum yaitu 0,2 mach ≈

68,058 m/s sehingga 𝐴2 = 0,00294m2,

maka: 0,00294 = (3,14 × 0,07 × 𝑏2)

− (0,685 × 0,002 × 𝑏2)

𝑏2 = 0,0135≈ 0,013 m

Menghitung Tinggi Bilah pada Impeler

Outlet (𝑏3)

Sesuai dengan analisis yang

dilakukan Tsien’s di dalam Benson

(1970) dimensi turbin radial dapat

dideskripsikan dengan:

𝑗 =𝑏3

𝑏2; 𝑛′ =

𝑑3′

𝑑2; 𝑚′ =

𝑏2

𝑑2; 𝑛 =

𝑑3

𝑑2

𝑛 = 𝑛′ − 𝑚′ × 𝑗

𝑛 = 0,454

𝑛′ =0,053

0.07

𝑛′ = 0,757

𝑚′ =0,013

0,07

𝑚′ = 0,186

Sehingga tinggi bilah pada impeler

outlet dapat didapatkan dengan cara

sebagia berikut:

0,454 = 0,757 − 0,186 ×𝑏3

0,013

0,186 × 𝑏3

0,013= 0,454 − 0,757

𝑏3 =−0,303 × 0,013

0,186

𝑏3 = 0,021m

Menghitung Panjang Impeler (𝐿)

Walsh & Fletcher (2004)

menyatakan panjang impeler harus

dievaluasi menggunakan parameter

panjang sebagaimana rumus di bawah

ini. Parameter panjang harus antara 1,0

sampai dengan 1,3.

𝐿𝑃 =𝐿

𝑟2 − (𝑟3′ + 𝑟ℎ)/2

𝑟ℎ =(𝑑3

′ − 2 × 𝑏3)

2

Jurnal Ilmiah Aviasi Langit Biru Vol. 13 No.2 Juni 2020 Hal 1 : 160

86

𝑟ℎ =(0,053 − 2 × 0,021)

2

𝑟ℎ = 0,0055m

1,3 =𝐿

0,035 − (0,0265 + 0,0055)/2

𝐿 = 1,3 × 0,019

𝐿 = 0,0247≈ 0,025 m

Menentukan Jumlah Bilah (𝑁𝑖)

Boyce (2002) menjelaskan

bahwa semakin banyak jumlah bilah

semakin kecil beban bilah dan semakin

sesak aliran udara mengalir di antara

bilah, sedangkan semakin besar beban

bilah aliran udara tendensi untuk

mengumpul pada permukaan tekan bilah

dan menyebabkan perubahan kecepatan

pada bagian keluar. Sehingga jumlah

bilah impeler menjadi bagian yang

dalam prosesnya menggunakan metode

trial and error, sehingga dalam

perancangan ini mengacu pada Hiett &

Johnston (1964) dengan jumlah bilah

impeler sebanyak 12 buah dengan sudut

antara bilah sebesar 30º. Berdasarkan

Hiett & Johnston (1964) dapat

digambarkan bilah impeler pada

rancangan ini seperti gambar 5 di bawah

ini.

Profil Bilah Impeler

Bilah impeler memiliki

ketebalan yang merata disetiap bagian

turbin yaitu sudah ditentukan

sebelumnya yaitu sebesar 0,002 m.

Sudut keluar impeler 𝛽3 sebesar 40º di

awali dengan lengkungan dengan jari-

jari mengikuti Hiett & Johnston (1964).

Rasio antara jari-jari dan panjang

impeler serta rasio pusat jari-jari dan

panjang impeler adalah sebagai berikut: 𝑗𝑎𝑟𝑖−𝑗𝑎𝑟𝑖

𝑃𝑎𝑛𝑗𝑎𝑛𝑔= 0,375

𝑃𝑢𝑠𝑎𝑡𝑗𝑎𝑟𝑖−𝑗𝑎𝑟𝑖

𝑃𝑎𝑛𝑗𝑎𝑛𝑔= 0,515

Jari-jari dan pusat jari-jari lengkungan

pada impeler adalah seagi berikut:

𝑟𝑖𝑚𝑝𝑒𝑙𝑒𝑟 = 0,375 × 𝐿

𝑟𝑖𝑚𝑝𝑒𝑙𝑒𝑟 = 0,375 × 0,025

𝑟𝑖𝑚𝑝𝑒𝑙𝑒𝑟 = 0.0094m

𝜑𝑟𝑖𝑚𝑝𝑒𝑙𝑒𝑟 = 0.515 × 𝐿

𝜑𝑟𝑖𝑚𝑝𝑒𝑙𝑒𝑟 = 0.515 × 0,025

𝜑𝑟𝑖𝑚𝑝𝑒𝑙𝑒𝑟 = 0,013m

Gambar 5 Bilah Impeler

Sumber: Hiett & Johnston (1964) dan

hasil perhitungan

Menghitung Dimensi Ruang Vaneless

Menurut Walsh & Fletcher

(2004) rasio jari-jari ruang vaneless

tidak lebih dari 1,10 dan menyarankan

1,05 untuk mencegah terjadinya eksitasi

pada bilah. Maka dapat dihitung ruang

vaneless sebagai berikut:

𝑟𝑣𝑙 = 1,05 × 𝑟2

𝑟𝑣𝑙 = 1,05 × 0,035

𝑟𝑣𝑙 = 0,0367 m ≈ 𝑑𝑣𝑙 = 0,074m

Menghitung Dimensi Vane

Menghitung Jari-jari Inlet ( 𝑟𝑣𝑖 ) dan

Outlet (𝑟𝑣𝑜)

Menurut Walsh & Fletcher

(2004) rasio jari-jari inlet dan outlet

vane antara 1,35 dan 1,45 dikarenakan

ruang yang terbatas maka dipilih 1,35

sebagai pedoman, maka dapat dihitung

jari-jari terluar dari vane adalah:

𝑟𝑣𝑙 = 𝑟𝑣𝑖

𝑟𝑣𝑜 = 1,35 × 0,037

𝑟𝑣𝑜 = 0,0499m ≈ 𝑑𝑣𝑜 = 0,1m

Menghitung Tinggi Bilah Vane (𝑏𝑣)

Dikarenakan sisi trailing vane

berdekatan langsung dengan bilah

Rancangan Turbin Ekspansi Tipe Radial Satu Tingkat ............................ (Ego Widoro)

87

impeler inlet maka tinggi vane sama

dengan tinggi bilah pada impeler inlet

yaitu:

𝑏𝑣 = 𝑏2

𝑏𝑣 = 0,013m

Menghitung Jumlah Vane (𝑁𝑣)

Jumlah vane dihitung

berdasarkan panjang busur yang

dibutuhkan antar vane. Hiett & Johnston

(1964) digambarkan vane pada turbin

radial pada rancangan ini seperti gambar

6 di bawah ini.

Gambar 6 Nossel Vane Sudut 𝛼2 = 70∘

Sumber: Hiett & Johnston (1964) dan

hasil perhitungan

Perlu diketahui besar sudut

yang berhadapan dengan busur

lingkaran vane 𝜃 yang berada di pusat

impeler. Sebelumnya perlu dihitung

terlebih dahulu sudut 𝜃 ′pada sisi leading

vane dengan menggunakan aturan sinus.

𝑠𝑖𝑛 𝜃 ′ =𝑟𝑣𝑖

𝑟𝑣𝑜× 𝑠𝑖𝑛 𝛼2

′

𝑠𝑖𝑛 𝜃 ′ =0,037

0,05× 𝑠𝑖𝑛 1 10∘

𝑠𝑖𝑛 𝜃 ′ = 0,6954

𝜃 ′ = 44,057∘

𝜃 = 180∘ − (110∘ + 44,057∘)

𝜃 = 25,945∘

Besar busur lingkaran untuk sudut 𝜃 =25,945∘adalah sebagai berikut:

𝑠𝑣𝑖 =𝜃

360∘ × 2 × 𝜋 × 𝑟𝑣𝑖

𝑠𝑣𝑖 =25,945∘

360∘ × 2 × 3,14 × 0,037

𝑠𝑣𝑖 = 0,0167≈ 0,017 m

Selanjutnya untuk menghitung jumlah

vane dengan membagi Keliling

lingkaran dengan jari-jari 𝑟𝑣𝑖 dengan

panjang busur lingkaran 𝑠𝑣𝑖

𝑁𝑣 =𝐶𝑖𝑣𝑖

𝑠𝑣𝑖

𝑁𝑣 =2 × 3,14 × 0,037

0,017

𝑁𝑣 = 13,668≈ 14 vane

Profil Vane

Profil vane merupakan bentuk

airfoil simetris untuk menjaga aliran

tetap laminar. Bentuk airfoil profil

simetris pada vane mengikuti Hiett &

Johnston (1964), rasio antara panjang

dan tebal adalah sebagai berikut: 𝑃𝑎𝑛𝑗𝑎𝑛𝑔𝑉𝑎𝑛𝑒

𝐿𝑒𝑏𝑎𝑟𝑉𝑎𝑛𝑒= 7,361

Panjang vane dihitung dengan aturan

cosinus adalah sebagai berikut:

𝑝𝑣 = √𝑟𝑣𝑖2 + 𝑟𝑣𝑜

2 − 2 × 𝑟𝑣𝑖 × 𝑟𝑣𝑜 × 𝑐𝑜𝑠 𝜃

𝑝𝑣 = √0,0372 + 0,052

− 2 × 0,037 × 0,05× 𝑐𝑜𝑠 2 5,945∘

𝑝𝑣 = 0,023m 𝑝𝑣

𝑙𝑣= 7,361

𝑙𝑣 = 0,0031m

Hiett & Johnston (1964)

menggambarkan garis permukaan yang

menghubungkan antara sisi trailing

dengan bagian paling tebal pada airfoil

membentuk sudut 10º. Sedangkan untuk

garis permukaan yang menghubungkan

antara sisi leading dengan bagian paling

tebal pada airfoil menggunakan bentuk

kurva yang sesuai.

Menghitung Dimensi Scroll

Bentuk penampang scroll

adalah berentuk lingkaran dengan

Jurnal Ilmiah Aviasi Langit Biru Vol. 13 No.2 Juni 2020 Hal 1 : 160

88

diameter inlet saluran scroll dihitung

menggunakan acuan bahwa kecepatan

aliran udara tidak melebihi 0,2 mach ≈

68,058 m/s tetapi juga menjaga agar

ukuran turbin radial tidak terlalu besar

karena ruang pemasangan yang sempit.

𝐴2 = 𝜋 × 𝑑𝑠2

𝑑𝑠 = √0,00294

3,14

𝑑𝑠 = 0,03059≈ 0,031 m

Parameter Hasil Perhitungan

Parameter dimensional dan

parameter non dimensional dapat dilihat

pada tabel 1 dan 2 berikut:

Tabel 1 Paremeter Dimensional Hasil

Perhitungan

Tabel 2 Paremeter Non Dimensional Hasil

Perhitungan

Kesimpulan

Berdasarkan hasil perhitungan

pada tahapan perancangan diperoleh

dimensi impeler pada tabel 3 berikut:

Tabel 3 Dimensi Impeler Turbin

Dimensi Vane dapat dilihat pada tabel

4 berikut:

Tabel 4 Dimensi Vane

Diameter inlet scroll dihasilkan

𝑑𝑠adalah 0,031 m

Daftar Pustaka

Adnan Hamza Zahed, A. H. and Bayomi

N. N. Radial Turbine Design Process, ISESCO JOURNAL of Science and Technology, Vol. 11 – No. 19, 2015,

(9 – 22) Aerodynamic Performance of Radial

Inflow Turbines. First (1963) and

Second (1964) Reports, Motor Industry Research Association. (Alternatively, the work is

summarized in: Hiett, G. F. and Johnston, I. H., Experiments

concerning the aerodynamic performance of inward radial flow turbines, Proceedings of the

Institution of Mechanical Engineers, 178, Part 31(ii), 1964.

Rancangan Turbin Ekspansi Tipe Radial Satu Tingkat ............................ (Ego Widoro)

89

Aungier, R. H. (2006). Turbine

Aerodynamics. New York: ASME PRESS.

Benson, R. S. A review of methods for

assessing loss coefficients in radial gas turbines, International Journal of Mechanical Science, 12, 1970, 905–

32. Boyce M. P. (2002). Gas Turbine

Engineering Handbook. Oxford: Gulf Professional Publishing. 2nd Edition.

Creswell, J. W. (2009). Research Design,

Qualitative, Quantitative and Mixed Methods Approaches. Los Angeles: Sage.

FAA Handbook (2012). Aviation Maintenance Technician Handbook-

Airframe Volume 2. Oklahoma City: United States Department of Transportation.

Hidayat, Z. Perancangan Turbin Aksial Satu Tingkat Untuk Mesin Turbojet Berbasis Turbochargers T70, Jurnal

Ilmiah Aviasi Langit Biru, Vol. 10 – No. 3, 2017, (10 – 19)

https://www.bps.go.id/statictable/2017/

02/09/1961/suhu-minimum-rata-rata-dan-maksimum-di-stasiun-

pengamatan-bmkg-oc-2011-2015.html/ diakses pada tanggal 31 Maret 2020, pukul 16:02 WIB

https://www.topbrand-award.com/en/2017/02/air-conditioner-fase-1-2017/ diakses

pada tanggal 24 Januari 2020, pukul 10:30 WIB

https://www.topbrand-award.com/en/2018/02/air-conditioner-fase-1-2018/ diakses

pada tanggal 24 Januari 2020, pukul 10:28 WIB

Jeppesen (2003) A& P Technician

Airframe Textbook. Colorado: Jeppesen Sanderson Inc.

Jha A.R. (2011). Wind Turbine Technology. Boca Raton, FL: CRC Press, Taylor & Francis Group.

Khader M. (2014) A Technical Report Optimised Radial Turbine Design D1.8, School of Mathematics,

Computer Science and Engineering. City University London.

Rodgers C., Mainline performance

prediction for radial inflow turbines in small high pressure ratio turbines, VKI Lecture series, 1987-07, (1987).

Rohlik H. E., Radial-inflow turbines, in Glassmann A. J. (ed) turbine design and application, NASA SP 290, 3

(1975). Santos, A.P.P., Andrade C.R., and

Zaparoli, E.L. A Thermodynamic Study of Air Cycle Machine for Aeronautical Applications,

International Journal of Thermodynamics, Vol. 17 – No. 3, pp. 117-126, 2014.

Saravanamuttoo, H.I.H., Rogers, G.F.C., Cohen, H., Straznicky, P.V. dan Nix

A.C. (2017). Gas Turbine Theory. Harlow, England, New York: Pearson. 7th Edition

Sugiyono (2016) Cara Mudah Menyusun Skripsi, Tesis dan Disertasi. Bandung Alfabeta

Sugiyono (2019). Metode Penelitian dan Pengembangan. Bandung: Alfabeta.

Surekha, N., Kolla, S, Deva Raj.Ch. and

Sreekanth, K., Optimization of Principal Dimensions of Radial Flow

Gas Turbine Rotor Using Genetic Algorithm, International Journal of Scientific & Engineering Research,

Volume 3, Issue 12, December-2012 Treager, I. E. (1995). Aircraft Gas

Turbine Engine Technology. New

York: McGraw-Hill, Inc. 3rd Edition. Walsh P. P. and Fletcher P. (2004) Gas

Turbine Performance. Oxford: Blackwell Science Ltd. Second Edition

Yeo J. H. and Baines N. C., Pulsating flow behavior in a twin-entry vaneless radial inflow turbine, In

Turbocharging and Turbochargers, IME, (1990).

Young, H. D. & Freedman, R. A. (2002) Fisika Universitas. Jakarta: Penerbit Erlangga. Edisi ke-10.

Jurnal Ilmiah Aviasi Langit Biru Vol. 13 No.2 Juni 2020 Hal 1 : 160

90

Lampiran Gambar Dimensi Impeller, Vane dan Inlet Scroll